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小結炸藥配方及施爆方法

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小結炸藥配方及施爆方法

1炸藥爆炸的裝藥配方

為提高爆炸放炮波能量,很多研究人員采用增大藥量和增加激發井深的辦法實現,但由于費用高、效率低的原因,應用受到一定限制。此后,人們把研究的重點集中在炸藥爆炸的本質特征,試圖通過改變炸藥的組分和配比來調節炸藥的爆炸性能,達到提高爆炸放炮波能量的目的。Lex等[10]研制了一種石油勘探用爆炸藥劑,配方組分包括:硝酸銨、烏洛托品、涂料級鋁粉、硝酸鉀、瀝青。Tite等[11]采用高能鋁粉(AL)和富氧物高氯酸銨(AP)作為主體能源,二甘醇(EG)作為載體,配置了一種高能炸藥(HEMCE),配方組分及質量比為:AL/AP/EG=20/56/24。單炮實驗結果表明,與常規爆炸相比,HEMCE激發的放炮波能量(均方根振幅值)提高了約35%。Bremner等[12]基于對爆炸過程和熱力學模擬,研究了巖土中爆炸放炮波能量的轉化問題,據此合理設計炸藥爆炸參數(如爆速、能量密度、爆容等),研制了一種含有金屬粉的地震專用炸藥(dBX),單炮記錄顯示dBX激發的放炮波能量在目的層提高了12dB。Annikov等配置了一種低爆速、低爆壓、高做功能量的含水炸藥,這種炸藥主要以硝酸銨、水、鋁粉、尿素為主體成分,采用柔性聚合物管裝藥,具有小型化、淺埋深、穩定性好的特點。中國地質施爆始于20世紀50年代,長期以來普遍使用硝銨炸藥作為爆炸。隨著地質施爆技術的發展和高精度勘探要求的不斷提高,炸藥爆炸的激發技術逐漸得到重視。陸明等采用膨化硝銨代替硝酸銨,先后研制了高、中、低3種爆速的爆炸藥柱,使內填藥中的TNT含量降低50%。羅洪成等[18]探討了石油勘探炸藥設計的關鍵技術,研究認為炸藥中應加入一定量的負氧化物提高炸藥的爆溫,加入適當鋁粉提高炸藥的爆熱。2004年,陸明等通過建立配方設計數學模型,制備了一種威力高于常規硝銨炸藥15%的爆炸藥柱,配方為:膨化硝銨67.3%、木粉1%、柴油0.3%、石蠟0.7%、TNT25%、鋁粉5.7%。近20年,中國炸藥爆炸的發展較為迅速,此間產生了一系列關于爆炸裝藥及配方的專利。這些專利基本涵蓋了中國現用的4種主要的爆炸裝藥成分,即銨梯爆炸藥柱,膨化硝銨爆炸藥柱、膠質炸藥爆炸藥柱和乳化炸藥爆炸藥柱。此外,有學者利用廢棄發射藥、炸藥作為爆炸藥柱,使廢棄發射藥有了合理有效的利用價值。總體來看,爆炸裝藥配方的研究主要以提高爆炸放炮波能量為主要目的,研究手段基本采用炸藥中添加高能金屬來實現。2炸藥爆炸的裝藥結構炸藥的裝藥結構即炸藥的裝填形式及藥柱的空間分布狀態,決定了炸藥爆炸能量的輸出形式和傳播方向。裝藥結構不同的炸藥在巖土中爆炸時,爆炸波與周圍巖土介質會形成不同的作用方式,并產生相應的地震效應。多年來,國內外研究人員基于各自的研究理論,結合長期的實踐經驗和試驗結果,設計了多種適用于地質施爆的爆炸裝藥結構,其中主要包括多級延遲疊加爆炸、低爆速細長型爆炸、聚能爆炸、多井組合爆炸和螺旋裝藥爆炸。

2多級延遲疊加

多級延遲疊加爆炸是針對深層勘探提出的一種炸藥激發方式。在地質施爆中,放炮波的主頻和振幅(能量)之間存在的矛盾仍然是激發技術面臨的瓶頸。研究表明[35~37],小藥量激發地震子波的主頻高、能量弱,而大藥量激發地震子波的能量高,但高頻能量相對較弱。為達到高分辨率、深層勘探的要求,實現高能量、高主頻的激發特性,多級延遲疊加爆炸應運而生。這種爆炸結構的設計是建立在波動理論和爆炸理論基礎上,按照多級藥柱縱向間隔分布的裝藥形式,采用由上至下延遲起爆的激發方式,使各爆炸單元所產生的放炮波的波前在垂直向下的方向得到同相疊加,同時實現對放炮波主頻和下傳能量的提高,并減小對地表的振動和破壞。1936年,Voorhees等最早指出單發集中藥包一次起爆產生放炮波振幅衰減速度快,不具備波動持續性,并認為這種激發方式得到的大部分是沖擊波,不利于放炮波能量的轉化。為改善激發效果,他們首次提出了多個藥柱垂向間隔分布的裝藥結構,打破了以往使用的集中裝藥結構,雖然采用的是同時起爆方式,但多級延遲疊加爆炸的裝藥形式已初見雛形。此后,在Voorhees提出的裝藥結構基礎上,出現許多關于延時起爆的研究工作。Lang采用長度可調式元件作為兩節藥柱的連接件,通過改變中間元件長度的方法改變爆炸需要的時間。Martner等提出了藥間距的設計方法。Tite等[41]在每節藥柱之間裝有一個障礙物,通過調節障礙物來控制延遲時間,可控制范圍在0.1~100ms。Eisler[42]說明了延遲時間的控制方法。Morris[43]利用電脈沖起爆技術對炸藥延遲時間進行控制。Arnold等利用延遲疊加爆炸獲得了較高的地震子波主頻和能量。中國早期涉足延遲疊加爆炸的研究工作始于20世紀80年代,劉業厚等分析了延遲疊加爆炸的激發原理和關鍵技術。之后,國內很多學者(胡立新等[46]、譚紹泉[47]、徐淑合等[7]、于世煥等、張文等、宋玉龍等應用彈性波動力學理論分析了延遲疊加技術原理,并與常規爆炸進行對比試驗,研究認為,疊加爆炸的影響因素主要是炸藥性質、藥量、級數及級間距。李文彬等[51~53]分別采用實驗和數值模擬的方法研究了延遲疊加爆炸對激發放炮波能量的影響,認為藥柱間隔距離應大于單級藥柱的破壞半徑,以保證放炮波疊加的可靠性。前人的研究結果表明,多級延遲疊加爆炸的關鍵技術是對延遲時間的控制。目前,雷管是炸藥爆炸普遍采用的起爆件,是控制爆炸激發時間的主要部件,由于雷管存在較大的起爆誤差(幾十個毫秒量級),延遲時間始終未能達到延遲疊加爆炸的技術要求,進而限制了延遲疊加爆炸的使用。

作者:陳健單位:中國船舶信息中心

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